CN105911541A - 基于增益控制的雷达测速装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增益控制的雷达测速装置及***，属于雷达测量技术领域，包括发射模块、接收模块、信号放大模块、自动增益控制模块和信号处理模块；发射模块向车辆发送发射微波射频信号，接收模块接收车辆反射的反射波信号，根据反射波信号产生多普勒信号；信号放大模块对多普勒信号进行放大处理；自动增益控制模块判断放大信号幅度是否在范围[m，n]内，若不在，将放大信号幅度调节至范围[m，n]内；信号处理模块对调节后的信号进行处理，得到车辆速度。通过在传统雷达测速信号处理过程中增加数字增益自动调节环节，将反射波信号幅度调节到位于天线方向图中心线位置附近，减少因雷达微波天线波瓣夹角导致的测量误差，提高雷达测速的准确性。

Description

基于增益控制的雷达测速装置及***

技术领域

本发明涉及雷达测量技术领域，特别涉及一种基于增益控制的雷达测速装置及***。

背景技术

随着我道路交通建设的高速发展和居民汽车拥有量的急剧增加，交通事故发生次数居高不下。其中，诱发交通事故的主要原因之一就是交通超速，世界各国交通管理部门对车辆交通超速违法行为的整治都极为重视。

目前，微波雷达因具有其体积小、重量轻、测速精度高、便于携带等优点，成为国际上交通警察实现道路测量交通速度监控和执法的主要技术手段之一。其中，雷达测速的精度直接关系到交通执法的严肃性和科学性的问题，各个国家对警用雷达测速误差的允许范围都有明确的要求，如我国规定室内雷达速度方针仪器对雷达测速精度进行仿真检测时，测速雷达的静态测速误差小于正负1公里/小时；在道路车辆的实际速度检测时，雷达测速仪在100公里/小时内，道路实测误差子0-6公里/小时内，时速100公里的测速误差小于6％。

图1示出了雷达测量车辆速度的示意图，将微波雷达看成一个自发自收的无线通信***，微波发射和接收都有固定的角度。但是雷达在道路实际测速中，如图2所示，当运动车辆进入雷达测量范围内时，由于运动车辆与雷达之间的距离是随机的，车辆和雷达之间的相对位置不同，因此无论是同向还是反向测量，都会出现较大的测速误差。如当雷达测量近车道5米的车辆和远距离第四车道的车辆时，标准车道宽度是3.75米，由于雷达侧装，雷达波往返第四车道的距离约为72米，在不考虑汽车反射面大小的情况下，根据雷达波在自由空间传输的衰耗计算公式：P_L＝32.44+20Lgf.+20Lgd，其中，d的单位为KM，可以计算出第一车道和第四车道微波反射信号强度相差约18db。因此，如果相同车速的车辆分别在第一车道和第四车道行驶，雷达的车辆误差将达到12％左右，这远超过国家标准6％的限制。

针对目前广泛使用的警用测速雷达会时常出现较大的测量偏差的情况，现有的解决方法是进行人工筛选，依靠人工剔除具有明显偏差的车辆图片。但是这种方法精准度较差，并没有有效的解决测速雷达测量偏大大的问题，而且极大的增加了交通管理部门的工作难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于增益控制的雷达测速装置及***，以解决现有技术存在的由于雷达安装方式形成的COS角度所导致的雷达测速误差大的问题。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于增益控制的雷达测速装置，包括：发射模块、接收模块、信号放大模块、自动增益控制模块和信号处理模块；

发射模块用于向目标车辆发送微波射频信号，接收模块用于接收所述目标车辆的反射波信号并生成多普勒信号，将生成的多普勒信号传输至信号放大模块；

信号放大模块用于对所述多普勒信号进行放大处理，并将得到的放大信号传输至自动增益控制模块；

自动增益控制模块用于判断所述放大信号的幅度是否在范围[m，n]内，若不在，则对所述放大信号的幅度进行调节，以使调节后的信号在所述范围[m，n]内，并将调节后的信号传输至信号处理模块，其中m、n为预设的幅度下限值、上限值，单位是0.1mv；

信号处理模块用于对所述调节后的信号进行处理，得到所述目标车辆的行驶速度。

第二方面，提供一种基于增益控制的雷达测速***，包括：如上所述的雷达测速装置。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过在传统的雷达测速的信号处理过程中的信号放大环节增加数字增益自动调节环节，在反射波信号放大后，在对放大后的反射波信号进行快速傅里叶变换之前，判断放大后的反射波信号是否在天线方向图中心线的位置附近，如果不在，对放大后的反射波信号进行调节。其中，数字增益自动调节环节受控于雷达***后端的A/D转换环节和数字滤波环节，通过数字增益自动调节环节动态补偿雷达***前端增益的变化，把雷达测速过程的信号增益处理等效为一个以快速傅里叶变换采样时间为周期的动态AGC调节过程，始终保证接收到的反射波信号在天线方向图的中心线位置附近，使得雷达始终工作在天线方向图的最顶端，最大限度的减少了雷达微波天线波瓣角导致的车辆速度的测量误差。

附图说明

图1是本发明背景技术中提到的雷达测量车辆速度示意图；

图2是本发明背景技术中提到的雷达测速误差产生示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种基于增益控制的雷达测速装置的流结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的窄波雷达天线场强分布图；

图5是本发明一实施例提供的一种基于增益控制的雷达测速装置的结构示意图；

图6是本发明一实施例提供的雷达测速过程的流程示意图；

图7是本发明一实施例提供的雷达测速信号处理过程的信号增益流程示意图；

图8是本发明一实施例提供的一种基于增益控制的雷达测速***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图3至图8，对本发明做进一步详细叙述。

如图3所示，本发明实施例提供了一种基于增益控制的雷达测速装置，包括：发射模块10、接收模块20、信号放大模块30、自动增益控制模块40和信号处理模块50；发射模块10用于向目标车辆发送发射波信号，接收模块20用于接收所述目标车辆的反射波信号并生成多普勒信号，将多普勒信号传输至信号放大模块30；信号放大模块30用于对所述反射波信号进行放大处理，并得到的放大信号传输至自动增益控制模块40；自动增益控制模块40用于判断所述放大信号的幅度是否在范围[m，n]内，若不在，则对所述放大信号的幅度进行调节，以使调节后的信号在所述范围[m，n]内，并将调节后的信号传输至信号处理模块50，其中a、b为预设的幅度下限值、上限值，单位是0.1mv；信号处理模块50用于对所述调节后的信号进行处理，得到所述目标车辆的行驶速度。

需要说明的是，该处的上限值a、下限值b是根据雷达的工作电压确定的。比如在雷达的工作电压为2V至3.3V之间，可处理的反射波信号的幅度范围是20000至30000，单位为01mv，即可根据天线方向图中心线位置附近的信号幅度范围设置范围[m，n]为[20000，22000]。

需要说明的是，在调节后的信号不在范围[a，b]内时，不对调节后的信号进行数字信号处理，即不对调节后的信号进行快速傅里叶变换处理。

本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比：

现有的微波雷达是根据微波多普勒原理进行车辆速度的测量，图4示出了窄波雷达天线场强分布图，该雷达水平方向角度6度(-3db)，垂直方向夹角28度(-3db)。当主波瓣衰耗到-15db时，天线夹角约为12度，当主波瓣衰耗到-20db时，天线夹角约为30度。根据多普勒原理，多普勒频移f_d与车辆速度v具有如下对应关系：

$f_d=2f_o\·\frac{v}{c_o}\·cos\mathrm{\α},$

其中，f_d表示多普勒频率或差频，f_o表示雷达发射频率，v表示车辆的速度，c_o表示光速，α表示车辆运动方向和雷达传感器与目标车辆连线之间的夹角(如图1所示)。因此，相对于雷达而言，测出了频移就可以得出目标车辆的运动速度。但是雷达实际测量角为a±b度，a为雷达测量中心法线与车辆运动方向的夹角，为一常量，b为雷达天线场辐射场强图中边缘与中心线的夹角角度，是一变量，其大小与车辆处于天线场强内测量位置有关。这样导致的实际测量误差δ为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{v_1-v}{v}\\ v_1=\frac{f_d{c}_o}{2f_0\·cos(a\±b)},\\ v=\frac{f_d{c}_o}{2f_0\·\cos \left(a\right)}\end{array}\right.$

可得到：

其中，v为车辆实际速度，v₁为测量速度值。

因此，b的角度越大，车辆的测量速度值就越小，与车辆的实际速度相差越大，而雷达在道路实测中，如果雷达信号处理不好，车辆处在天线副波瓣范围内，那b的角度更大，速度测量误差就更大。在选定a＝25度，b从+15度到-15度，速度测量误差δ与夹角b之间的关系如表1所示：

表1

夹角b(度)

+15

+14

+13

+12

+11

+10

误差百分比

+9

+8

+7

+6

+5

+4

夹角b(度)

+3

+2

+1

+0

-1

-2

误差百分比

-3

-4

-5

-6

-7

-8

由表1可见，对于一个固定安装的雷达，当雷达天线场强方向图越尖锐，表示车辆离雷达中心线越近，其夹角越小，测速误差就越小。

而本发明提供的技术方案通过在传统的雷达测速的信号处理环节增加了数字增益自动调节环节，动态补偿雷达***前端增益的变化，在一个快速傅里叶变换FFT采样周期内，保证反射波信号的幅度相对稳定，以使雷达始终工作在天线方向图的最顶端，最大限度的减少了雷达天线波瓣夹角导致的车辆速度测量误差。

如图5所示，做为本发明的优选实施例，在上述实施例中的装置还包括比较模块60，用于判断所述放大信号的幅度是否超过预设值c，若超过，则判定所述放大信号不可信，若不超过，则将所述放大信号传输到所述自动增益控制模块40，其中c>n。

需要说明的是，该处的预设值c是根据雷达的工作电压确定的，比如，雷达的工作电压是3.3V，那么可信的反射波信号幅度为30000，其中反射波信号幅度的单位为0.1mv，故可取预设值c为30000。

具体地，在判断过程中，当放大信号的幅度超过30000时，认为该放大信号可能存在削波失真，导致“倍频”现象，因此判定该放大信号不可信。比如当放大信号的幅度大于30000时，***判定该放大信号不可信，则***自动放弃该值，不对该放大信号采样结果做任何处理，自动跳过后面的处理，重新采样；当放大信号的幅度小于或等于30000时，认为该放大信号可信，则对该放大信号进行后续的采样、FFT等处理。本实施例通过在判断放大后的反射波信号的幅度是否在范围[m，n]内之前，首先判断该反射波放大信号是否可信，避免了因为放大后的反射波信号幅度过大，导致可能存在削波失真，产生“倍频”现象等情况而导致的车辆速度测量存在较大误差。

具体地，如图5所示，上述实施例中的自动增益控制模块40具体包括：比较器41和可变增益放大器42；比较器41用于判断所述放大信号的幅度是否在范围[m，n]内；可变增益放大器42用于在所述放大信号的幅度不在所述范围[m，n]内时，对所述放大信号的幅度进行调节，以使调节后的信号在所述范围[m，n]内，其中m、n为预设的幅度下限值、上限值，每级为Ndb，N为预设常数。

需要说明的是，该处的可变增益放大器42为数字AGC。

具体地，本实施例中判断放大信号的幅度是否在预先设定的范围[m，n]内的过程如图6所示：

S1、判断所述放大信号的幅度是否大于所述上限值n；

S2、若所述放大信号的幅度小于或等于所述上限值b，则执行步骤S3；若所述放大信号的幅度大于所述上限值n，则将所述放大信号的幅度逐级下调，直至调节后的所述放大信号的幅度小于或等于所述上限值n，其中，每个级别为Ndb，N为预设常数；

S3、判断所述调节后的放大信号的幅度是否大于或等于所述下限值a；

S4、若所述放大信号的幅度大于或等于所述下限值m，则确定调节后的信号在所述范围[m，n]内；

S5、若所述放大信号的幅度小于所述下限值m，则将所述放大信号的幅度逐级上调，直至调节后的所述放大信号的幅度大于或等于所述下限值m。

具体地，该处的N的取值可根据实际需要进行设定，举例说明，该处的N取值为3，即在放大信号的幅度超过上限值n时，将放大信号的幅度自动下调3db，再判断下调后的放大信号的幅度是否超过上限值n，若超过，再将放大信号下调3db，直至放大信号的幅度不超过上限值n。

需要说明的是，在放大信号的幅度下调至不超过上限值n时，再判断放大信号的幅度是否超过下限值m，以避免在放大信号的调节过程中，将放大信号的幅度调节至小于下限值m，而出现调节后的放大信号的幅度仍然不在范围[m，n]内，保证了放大信号的幅度调节的准确性。

具体地，上述实施例中的信号处理模块50具体包括：滤波器51、A/D转换器52和DSP处理器53；滤波器51用于对所述调节后的信号进行数字低通滤波处理，得到滤波后的信号；A/D转换器52用于将所述滤波后的信号进行A/D转换，得到数字信号；DSP处理器53用于对所述数字信号进行快速傅里叶变换处理，计算所述目标车辆的行驶速度。

具体地，滤波器51具体用于对所述调节后的信号进行小信号滤波处理，以控制所述放大信号在预设调节范围内进行幅度调节，其中，预设调节范围为48db。

需要说明的是，上述实施例中的可变增益放大器受控于滤波器和A/D转换器，其中，滤波处理过程采用小信号对所述调节后的信号进行滤波处理，以控制所述放大信号在预设调节范围内进行幅度调节，其中，预设调节范围为48db。

在实际应用中，由于公路上行驶的车辆类型是随机的，从雷达信号反射强度看，小型的有摩托车，大型的有全金属箱体的箱式货车，其信号的动态增益差范围远大于35db，因此，本实施例通过设置设置一个合适的小信号滤波电平，一方面可以将***动态增益差范围控制在合理的范围内(如48db)，另一方面可以避免反射波信号发生削波失真。而且解决了测速雷达现场安装时信号灵敏度调校难的问题。

图7示出了本实施例中的雷达测速过程中信号的增益流程示意图，在图7所示的雷达测速的信号处理的整个流程中，雷达发射功率和天线发射接收增益是固定的，车辆反射波信号的强度是随机，车辆距测速雷达远近导致的雷达微波在空间传输的损耗是随机的，雷达信号的潜质放大器的增益是固定的，可变增益放大器的增益是可变的。通过可变增益放大器的增益动态调整动态补偿反射波信号的增益变化，以保证雷达始终工作在天线方向图的最顶端，，减小雷达微波天线波瓣夹角导致的测量误差。

如图8所示，本发明另一实施例还提供了一种基于增益控制的雷达测速***，包括：上述实施例中的雷达测速装置1和相机2；所述雷达测速装置1用于计算所述目标车辆的行驶速度；所述雷达测速装置1和所述相机2沿路呈25度夹角安装，并通过串口数据线与所述相机连接，以在所述目标车辆到达触发位置时，触发所述相机2进行抓拍；所述相机2抓拍得到的图片上显示所述目标车辆的行驶速度。

通过利用上述实施例提供的雷达测速装置，对车辆速度测量的精确性进行了检验：

我们选取某一平直单向3车道沥青公路路面(单车道路宽3.75米，路面宽度11.5米(3.75米X3+0.25米))，使用我们自主研发的文康.警博士窄波束测速雷达(WKMEP-2型，测速范围5-250km/h，静态误差小于-1km/h，雷达主波瓣水平角度6度，(-3db)，计量产品生产许可证号CMC皖制00000234号)和200万像素工业相机(CY-2035J)，利用三角架安装在路边，距离路边1.5m，高度1.5m，雷达和相机沿路沿方向夹角25度安装，测速雷达通过串口数据线与高清工业相机连接，由雷达完成对车辆速度的测量和对相机抓拍的触发，在被测汽车上(丰田花冠)安装L-350型非接触式速度计(测速范围0.3km/h-250km/h，测速误差小于±0.1％)，在汽车前面保险杠上固定一块LED车速显示屏，当被测车辆通过测试点时，雷达自动触发相机抓拍车辆图片，并自动记录雷达测量值在图片上，同时在图片上可以清晰看到当时车辆LED屏上显示的车辆实际速度值，使被测车辆分别沿3条车道以随机的速度行驶2次，其中雷达COS角度修正设置成24度，测试的结果如表2所示：

表2

由表2中数据可以看出，雷达测量的车辆行驶速度与测量的实际行驶速度之间的最大误差小于3％，该误差小于国家规定的6％的误差，精确度很高。

Claims (6)

1.一种基于增益控制的雷达测速装置，其特征在于：包括发射模块(10)、接收模块(20)、信号放大模块(30)、自动增益控制模块(40)和信号处理模块(50)；

发射模块(10)用于向目标车辆发送微波射频信号，接收模块(20)用于接收所述目标车辆反射的反射波信号并生成多普勒信号，将多普勒信号传输至信号放大模块(30)；

信号放大模块(30)用于对所述多普勒信号进行放大处理，并将得到的放大信号传输至自动增益控制模块(40)；

自动增益控制模块(40)用于判断所述放大信号的幅度是否在范围[m，n]内，若不在，则对所述放大信号的幅度进行调节，以使调节后的信号在所述范围[m，n]内，并将调节后的信号传输至信号处理模块(50)，其中m、n为预设的幅度下限值、上限值，单位是0.1mv；

信号处理模块(50)用于对所述调节后的信号进行处理，得到所述目标车辆的行驶速度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括比较模块(60)；

比较模块(60)用于判断所述放大信号的幅度是否超过预设值c，若超过，则判定所述放大信号不可信，若不超过，则将所述放大信号传输到所述自动增益控制模块(40)，其中c>n。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述自动增益控制模块(40)包括比较器(41)和可变增益放大器(42)；

比较器(41)用于判断所述放大信号的幅度是否在范围[m，n]内；

可变增益放大器(42)用于在所述放大信号的幅度不在所述范围[m，n]内时，对所述放大信号的幅度进行逐级调节，以使调节后的信号在所述范围[m，n]内，其中，m、n为预设的幅度下限值、上限值，每级为Ndb，N为预设常数。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：信号处理模块(50)包括滤波器(51)、A/D转换器(52)和DSP处理器(53)；

滤波器(51)用于对所述调节后的信号进行数字低通滤波处理，得到滤波后的信号；

A/D转换器(52)用于将所述滤波后的信号进行A/D转换，得到数字信号；

DSP处理器(53)用于对所述数字信号进行快速傅里叶变换处理，计算所述目标车辆的行驶速度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的滤波器(51)具体用于对所述调节后的信号进行小信号滤波处理，以控制所述放大信号在预设调节范围内进行幅度调节，其中，预设调节范围为48db。

6.一种基于增益控制的雷达测速***，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的雷达测速装置。